CN111308125B - 一种基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法及加加速度计 - Google Patents

一种基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法及加加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法及加加速度计，本发明的探测方法为：采用加速度型探头，该加速度型探头包含光纤，该光纤将加速度型探头的定子与质量块连接，通过干涉仪结构将机械振动的加速度信号转化为加加速度信号。本发明加加速度计中的一种可选结构为：包括光源，光源经一环形器与Y型波导的合束端连接，环形器用于光源输出的信号光输入该Y型波导进行起偏、调制并分束，Y型波导的一分束端与光纤环的一端连接，Y型波导的另一分束端经一加速度型探头与该光纤环的另一端连接；环形器与一光电探测器连接，用于将经Y型波导返回的光输入该光电探测器。本发明为机械波监测提供一种新的研究角度，应用前景广阔。

Description

一种基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法及加加速 度计
技术领域
本发明涉及一种基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法及加加速度计，可用于机械波场的监测范畴，如天然地震场监测、人工震源响应监测、建筑抗震实验、矿产资源开发、地球物理勘探、地质灾害预警等工程及科研领域。
背景技术
机械波是在某介质中各个质点由于质点之间的传带作用形成的一种宏观振动波，自然界中的声波、地震波等均属于机械波范畴。
监测机械波可以反应机械波传播路径上的介质物理性质。例如天然地震场监测，可通过运用地面传感器拾取天然地震波的位移、速度或加速度信息，通过波动方程理论计算地震波从震源到传感器之间通过路径的介质波阻抗信息，进而反推地下的结构，为深地研究提供数据支撑。
目前的机械波监测传感器，以速度型和加速度型为主，位移型由于精度的原因使用面不广，加加速度型的传感器(即加加速度计)未见发布，本专利的方法可用于制作这种传感器，填补了这一空白。
发明内容
为填补光纤加加速度传感器领域的空白，本发明提供一种制作光纤加加速度计的方法，相比于加速度型传感器，加加速度由于在数学上为加速度的导函数，因而相比于加速度型传感器，对数据变化的反应将更为灵敏，应用前景广阔。另外，本专利根据应用场景的成本预算、精度要求设计了不同实例，可适应更为广阔的场景。
本发明的技术方案为：
一种基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法，其特征在于，采用加速度型探头，该加速度型探头包含光纤，该光纤将加速度型探头的定子与质量块连接，将机械振动的加速度信号转化为光信号相位信号。
进一步的，采用Sagnac干涉仪光路结构，将加速度型探头的正比于机械波振动加速度强度的相位信号转化为机械波振动加加速度信号。
进一步的，该Sagnac干涉仪光路结构中的光纤环为零面积光纤环，该零面积环的光纤从一端开始绕制，至尾端改变绕制方向，并行反向再绕回初始端，该零面积环的Sagnac效应的有效面积为零。
一种光纤基于Sagnac干涉仪的加加速度计，其特征在于，包括光源，该光源经一环形器与Y型波导的合束端连接，该环形器用于将该光源输出的信号光输入该Y型波导进行起偏、调制并分束，该Y型波导的一分束端与光纤环的一端连接，该Y型波导的另一分束端经一加速度型探头与该光纤环的另一端连接；该环形器与一光电探测器连接，用于将经该Y型波导返回的光输入该光电探测器。
进一步的，该Y型波导的一分束端经一第一消偏器与光纤环的一端连接，该Y型波导的另一分束端经一第二消偏器、所述加速度探头与该光纤环的另一端连接。
一种基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度计，其特征在于，包括光源，该光源经一2×2耦合器与一光纤环连接；其中，该耦合器同一侧的两端口中一端口a1与该光源连接、另一端口a2与一光电探测器连接，该耦合器另一侧的两端口中一端口b1经一加速度计探头与该光纤环的一端连接、另一端口b2经一PZT调制器与该光纤环的另一端连接。
进一步的，该光源经一起偏器与该耦合器的端口a1连接；该耦合器的端口b1经一第一消偏器、该加速度计探头与该光纤环的一端连接、端口b2经一第二消偏器、该PZT调制器与该光纤环的另一端连接。
一种基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度计，其特征在于，包括光源，该光源经一环形器与一3×3耦合器，该耦合器的另一侧与一光纤环连接；其中，该耦合器同一侧的三端口中一端口a1与一第二光电探测器连接、一端口a2经该环形器与该光源连接、另一端口a3与一第三光电探测器连接，该耦合器另一侧的两端口中一端口b1经一加速度计探头与该光纤环的一端连接、另一端口b2与该光纤环的另一端连接；该环形器用于该光源输出的信号光经该耦合器输入该光纤环，该环形器与一第一光电探测器连接，用于将经该耦合器返回的光输入该第一光电探测器。
进一步的，该环形器经一起偏器与该耦合器的端口a2连接，该耦合器的端口b1经一第一消偏器、该加速度计探头与该光纤环的一端连接、端口b2经一第二消偏器与该光纤环的另一端连接。
进一步的，该光电探测器与一信号处理单元连接，该信号处理单元根据光电探测器得到的光强，利用PGC法计算得到
Figure BDA0002390885710000021
进而计算得到加加速度；其中，
Figure BDA0002390885710000022
为t时刻机械波的振动作用在加速度计探头上产生的相位移动，
Figure BDA0002390885710000023
L为光纤环的长度，n为光纤折射率，c为光速。
进一步的，该信号处理单元根据公式
Figure BDA0002390885710000024
计算得到加加速度
Figure BDA0002390885710000025
进一步的，所述光纤环为零面积光纤环。
进一步的，所述零面积光纤环为单模零面积光纤环或保偏零面积光纤环。
本发明的***示例如附图1所示。信号光从光源出发，经过环行器以防止回传光反向进入激光器；经过Y型波导进行分光、调制以达到分束、提高信号抗干扰特性的目的；之后经过光纤环及加速度型探头，将探头的加速度信息通过本发明的方法转化为加加速度信息，而后返回光电探测器提取数字化的加加速度信号。
本发明提供的光纤加加速度计基于光信号测量加加速度信息，在传感时(即机械波作用时)信号在光纤中传输，基于光纤本身的特性，可抗电磁干扰、耐腐蚀，可适用于较为恶劣的环境；由于为光信号，传输速度快，可实现快速测量；基于干涉仪光路***的光传感方式可大大提升探测精度；由于Sagnac干涉仪为互易性光路，故相比于采用其它干涉仪光路结构，基于Sagnac干涉仪的探测方式可以大大降低光路中的非互易性噪声，提高信号的信噪比。
本发明的实施方式如下：
如附图1所示，本专利使用了加速度型探头，该探头可将机械波的振动作用转化为正比于机械振动加速度强度的相位信号。具体地，在图2中：A为一质量块，B为缠绕于定子C与质量块A之间的光纤，光从输入端口4进，输出端口5出。当存在机械波振动时，振动由置于地面或震源附近的定子感知，由于该***可看做一“质量块—弹簧”***，故光纤的拉伸长度正比于机械波加速度强度；根据光纤的应力应变效应，光纤中传输的光信号相位也将发生偏移，且这一偏移正比于机械波加速度强度。设机械波的振动作用在加速度型探头上产生的相位移动为
Figure BDA0002390885710000031
光纤环如图2所示，为零面积光纤环，其绕制方法与一般光纤环绕法有一定区别，具体方法为：光纤从一端开始绕制，至尾端改变绕制方向，并行反向再绕回初始端；绕制光纤的层与层之间仍可使用四极对称等绕法以减小温度场的影响。通过这样的绕法，入射光和出射光分别沿相反的环形方向传播，根据Sagnac效应，光通过这样的环，其Sagnac效应的有效面积为零，因而由于环存在角速度而产生的Sagnac相移不存在，即实现了该环的有效面积为0，故称零面积环。将
Figure BDA0002390885710000032
在t-τ处展开：
Figure BDA0002390885710000033
对于长度为L＝10km的光纤环，
Figure BDA0002390885710000034
此时τ2～10- 9s，此时τ2项及高阶无穷小项o(τ2)均可忽略，则：
Figure BDA0002390885710000035
其中
Figure BDA0002390885710000036
即为加加速度。
对于附图1所示的Sagnac干涉仪光路，设合束端口1的输入光场为E0，
Figure BDA0002390885710000041
为Y型波导的调制相移，其中的调制是为了使信号搬移至频率较高的调制频点处，以避免受到低频段仪器噪声的干扰。根据Y型波导的调制和分光性质，第一分束端口2和第二分束端口3的光场分别为：
Figure BDA0002390885710000042
Figure BDA0002390885710000043
从而在光电探测器处得到的光强为：
Figure BDA0002390885710000044
利用PGC法即可将公式(2)所表达的
Figure BDA0002390885710000045
求出，进而得到加加速度
Figure BDA0002390885710000046
附图1、附图4、附图5和附图6分别根据应用场景的成本预算、精度要求给出了基于该原理的高精度保偏Sagnac结构光纤加加速计方案、高精度消偏Sagnac结构光纤加加速计方案、中低成本保偏Sagnac结构光纤加加速计方案和低成本消偏单模光纤加加速计方案。
还可采用六端口的3×3耦合器实现上述原理，与前面使用二端口器件(Y型波导或2×2耦合器)相比，这一原理不需要调制器(Y型波导或PZT调制器)，通过3×3耦合器的自带相移及其三路输出信号即可实现信号的“调制解调”。由于3×3耦合器的三路输出信号(即三个光电探测器的探测信号)存在
Figure BDA0002390885710000047
的相位差，如附图7所示，这三路信号分别为：
Figure BDA0002390885710000048
Figure BDA0002390885710000049
Figure BDA00023908857100000410
将式(6)、式(7)和式(8)相加平均，可得到
Figure BDA00023908857100000411
与式(6)、式(7)和式(8)相减即可除去直流量；记
Figure BDA00023908857100000412
将除去直流量的三路信号中的两路求微分并相减，同时与另一路相乘，可以得到新的三路信号：
Figure BDA00023908857100000413
Figure BDA00023908857100000414
Figure BDA00023908857100000415
将式(9)、式(10)和式(11)相加，可得：
Figure BDA0002390885710000051
将该信号积分后经过高通滤波器，即可得到所需要的Φ(t)，进而得到加加速度
Figure BDA0002390885710000052
附图7、附图8分别给出了基于该原理的中低成本保偏Sagnac结构光纤加加速计方案和低成本消偏Sagnac结构光纤加加速计方案。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明提供一种光纤加加速度计，填补了光纤加加速度计领域的空白，同时由于其对于数据变化的灵敏性，可为机械波监测提供一种新的研究角度。此外，光纤加加速度计基于抗EMI、高稳定性的光纤，能适用于更为恶劣的野外环境中，可大大降低对机械波探测的要求，快速、准确地测定机械波的加加速度信息；由于Sagnac干涉仪为互易性光路，故相比于采用其它干涉仪光路结构，基于Sagnac干涉仪的探测方式可以大大降低光路中的非互易性噪声，提高信号的信噪比。
附图说明
图1为高精度保偏Sagnac结构光纤加加速计的原理图；
图2为加速度型探头示意图；
图3为零面积光纤环的绕法示意图；
图4为高精度消偏Sagnac结构光纤加加速计的原理图；
图5为中低成本保偏Sagnac结构光纤加加速计的原理图；
图6为低成本消偏单模光纤加加速计的原理图；
图7为中低成本保偏Sagnac结构光纤加加速计的原理图；
图8为低成本消偏单模光纤加加速计的原理图。
其中，1-合束端口，2-第一分束端口，3-第二分束端口，3-输入端口，4-输出端口；A-质量块，B-光纤，C-定子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。
方案1：该方案的光路结构如附图1所示，其中零面积光纤环的制作方法如附图2所示：光纤从一端开始绕制，至尾端改变绕制方向，并行反向再绕回初始端，这样保证了该光纤环的有效面积为0；绕制光纤的层与层之间仍可使用四极对称等绕法以减小温度场的影响。这一套方案降低了偏振随机性的影响，可实现高精度的基于保偏Sagnac干涉仪的光纤加加速度计。
方案2：该方案的光路结构如附图4所示，其中零面积光纤环的制作方法如附图2所示：光纤从一端开始绕制，至尾端改变绕制方向，并行反向再绕回初始端，这样保证了该光纤环的有效面积为0；绕制光纤的层与层之间仍可使用四极对称等绕法以减小温度场的影响。这一套方案同样降低了偏振随机性的影响，可实现高精度的基于消偏Sagnac干涉仪的光纤加加速度计。
方案3：该方案的光路结构如附图5所示，其中零面积光纤环的制作方法如附图2所示：光纤从一端开始绕制，至尾端改变绕制方向，并行反向再绕回初始端，这样保证了该光纤环的有效面积为0；绕制光纤的层与层之间仍可使用四极对称等绕法以减小温度场的影响。这一套方案由于采用保偏光纤，降低了偏振随机性的影响；且由于将Y型波导更换为2×2耦合器，成本降低，可实现中低成本的基于保偏Sagnac干涉仪的光纤加加速度计。
方案4：该方案的光路结构如附图6所示，其中零面积光纤环的制作方法如附图2所示：光纤从一端开始绕制，至尾端改变绕制方向，并行反向再绕回初始端，这样保证了该光纤环的有效面积为0；绕制光纤的层与层之间仍可使用四极对称等绕法以减小温度场的影响。这一套方案由于将Y型波导更换为2×2耦合器和光学起偏器的组合，保偏光纤换为单模光纤，成本降低，可实现低成本的基于消偏Sagnac干涉仪的光纤加加速度计。
方案5：该方案的光路结构如附图7所示，其中零面积光纤环的制作方法如附图2所示：光纤从一端开始绕制，至尾端改变绕制方向，并行反向再绕回初始端，这样保证了该光纤环的有效面积为0；绕制光纤的层与层之间仍可使用四极对称等绕法以减小温度场的影响。这一套方案由于采用保偏光纤，降低了偏振随机性的影响；且由于将Y型波导更换为3×3耦合器，省去了调制器，成本降低，可实现中低成本的基于保偏Sagnac干涉仪的光纤加加速度计。
方案6：该方案的光路结构如附图8所示，其中零面积光纤环的制作方法如附图2所示：光纤从一端开始绕制，至尾端改变绕制方向，并行反向再绕回初始端，这样保证了该光纤环的有效面积为0；绕制光纤的层与层之间仍可使用四极对称等绕法以减小温度场的影响。这一套方案由于将Y型波导更换为3×3耦合器和光学起偏器的组合，保偏光纤换为单模光纤，且省去了调制器，成本降低，可实现低成本的基于消偏Sagnac干涉仪的光纤加加速度计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法，其特征在于，包括加速度型探头，该加速度型探头包含光纤，该光纤将加速度型探头的定子与质量块连接，将机械振动的加速度信号转化为光信号相位信号；其中采用Sagnac干涉仪光路结构，将加速度型探头的正比于机械波振动加速度强度的相位信号转化为机械波振动加加速度信号，并将其输入光电探测器；该光电探测器与一信号处理单元连接，该信号处理单元根据光电探测器得到的光强，利用PGC法计算得到
Figure FDA0003027275030000011
然后根据公式
Figure FDA0003027275030000012
计算得到加加速度
Figure FDA0003027275030000013
其中，
Figure FDA0003027275030000014
为t时刻机械波的振动作用在加速度计探头上产生的相位移动，
Figure FDA0003027275030000015
L为光纤环的长度，n为光纤折射率，c为光速；该Sagnac干涉仪光路结构中的光纤环为零面积光纤环，该零面积环的光纤从一端开始绕制，至尾端改变绕制方向，并行反向再绕回初始端，该零面积环的Sagnac效应的有效面积为零。
2.如权利要求1所述的基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法，其特征在于，该Sagnac干涉仪光路结构包括光源，该光源经一环形器与Y型波导的合束端连接，该环形器用于将该光源输出的信号光输入该Y型波导进行起偏、调制并分束，该Y型波导的一分束端与光纤环的一端连接，该Y型波导的另一分束端经一加速度型探头与该光纤环的另一端连接；该环形器与一光电探测器连接，用于将经该Y型波导返回的光输入该光电探测器。
3.如权利要求2所述的基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法，其特征在于，该Y型波导的一分束端经一第一消偏器与光纤环的一端连接，该Y型波导的另一分束端经一第二消偏器、所述加速度探头与该光纤环的另一端连接。
4.如权利要求1所述的基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法，其特征在于，该Sagnac干涉仪光路结构包括光源，该光源经一2×2耦合器与一光纤环连接；其中，该耦合器同一侧的两端口中一端口a1与该光源连接、另一端口a2与一光电探测器连接，该耦合器另一侧的两端口中一端口b1经一加速度计探头与该光纤环的一端连接、另一端口b2经一PZT调制器与该光纤环的另一端连接。
5.如权利要求4所述的基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法，其特征在于，该光源经一起偏器与该耦合器的端口a1连接；该耦合器的端口b1经一第一消偏器、该加速度计探头与该光纤环的一端连接、端口b2经一第二消偏器、该PZT调制器与该光纤环的另一端连接。
6.如权利要求1所述的基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法，其特征在于，该Sagnac干涉仪光路结构包括光源，该光源经一环形器与一3×3耦合器，该耦合器的另一侧与一光纤环连接；其中，该耦合器同一侧的三端口中一端口a1与一第二光电探测器连接、一端口a2经该环形器与该光源连接、另一端口a3与一第三光电探测器连接，该耦合器另一侧的两端口中一端口b1经一加速度计探头与该光纤环的一端连接、另一端口b2与该光纤环的另一端连接；该环形器用于该光源输出的信号光经该耦合器输入该光纤环，该环形器与一第一光电探测器连接，用于将经该耦合器返回的光输入该第一光电探测器。
7.如权利要求6所述的基于光纤Sagnac干涉仪的加加速度探测方法，其特征在于，该环形器经一起偏器与该耦合器的端口a2连接，该耦合器的端口b1经一第一消偏器、该加速度计探头与该光纤环的一端连接、端口b2经一第二消偏器与该光纤环的另一端连接。
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